燃料电池系统的制作方法
燃料电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]在日本JP2009-123550A中，作为以往的燃料电池系统，记载了如下的燃料电池系统:使从正极压缩机喷出的正极气体中的燃料电池堆的发电所不需要的量流过旁路通路后排出到正极气体排出通路。由此，该以往的燃料电池系统将供给到燃料电池堆的正极气体的流量(堆供给流量)控制为根据发电要求设定的目标堆供给流量。
【发明内容】
[0003]上述的以往的燃料电池系统基于堆供给流量和目标堆供给流量来控制设置于旁路通路的旁路阀的开度，使得堆供给流量为目标堆供给流量。
[0004]在实施这种控制的燃料电池系统中，特别是在旁路阀的开度分辨率粗糙的情况下等，存在以下情况:无法使堆供给流量与目标堆供给流量一致，而在目标堆供给流量附近反复进行旁路阀的开闭。这样一来，在旁路阀为步进电动机这样的情况下存在产生异声的担忧。作为防止这种旁路阀的开闭的方法，列举出了以下做法:在堆供给流量变为目标堆供给流量附近时，固定旁路阀。
[0005]然而，当在堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下固定旁路阀时，会将发电所需的流量以上的正极气体供给到燃料电池堆，从而存在使电解质膜干燥的问题。
[0006]本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于抑制反复进行旁路阀的开闭的同时还抑制电解质膜的干燥。
_7] 用于解决问题的方案
[0008]根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备:正极气体供给通路，其用于向燃料电池堆供给正极气体；压缩机，其设置于正极气体供给通路；旁路通路，其用于使从压缩机喷出的正极气体的一部分绕过燃料电池堆而排出；旁路阀，其用于调节流过旁路通路的正极气体的流量；以及堆供给流量检测单元，其用于检测向燃料电池堆供给的堆供给流量。
[0009]该燃料电池系统将基于燃料电池堆的要求而计算出的堆要求压缩机供给流量和基于燃料电池系统的要求而计算出的系统要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制压缩机。另外，燃料电池系统基于堆供给流量和应该向燃料电池堆供给的目标堆供给流量来控制旁路阀。
[0010]而且，燃料电池系统在系统要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀或者限制旁路阀的驱动。
【附图说明】
[0011]图1是本发明的一个实施方式的燃料电池系统的概要图。
[0012]图2是与燃料电池堆的负荷相应地示出稀释要求压缩机供给流量与达到发电要求堆供给流量的关系的图。
[0013]图3示出了本实施方式的正极系统的控制模块。
[0014]图4是说明控制器在旁路阀固定信号输出部中实施的控制内容的流程图。
[0015]图5是说明本实施方式的正极系统的控制的动作的时序图。
[0016]图6示出了比较例的正极系统的控制模块。
[0017]图7是表示比较例的正极系统的控制的动作的时序图。
[0018]图8是表示在比较例的正极系统的控制中成为一打开旁路阀实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态的情况下禁止旁路阀的驱动时的动作的时序图。
【具体实施方式】
[0019]下面，参照附图等来说明本发明的一个实施方式。
[0020]燃料电池通过用负极(anode)电极(燃料极)和正极(cathode)电极(氧化剂极)将电解质膜夹在中间并向负极电极供给含氢的负极气体(燃料气体)、向正极电极供给含氧的正极气体(氧化剂气体)来进行发电。在负极电极和正极电极这两个电极处进行的电极反应如下。
[0021]负极电极:2H2—4H ++4e...(I)
[0022]正极电极:4H++4e+02— 2H20…(2)
[0023]通过该(I)、⑵的电极反应，燃料电池产生I伏特左右的电动势。
[0024]在将燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于要求的电力大，因此作为将数百块的燃料电池层叠所得的燃料电池堆来进行使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
[0025]图1是本发明的一个实施方式的燃料电池系统100的概要图。
[0026]燃料电池系统100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3以及控制器4。
[0027]燃料电池堆I是层叠数百块燃料电池而得的，接受负极气体和正极气体的供给，来发出驱动车辆所需的电力。
[0028]正极气体供排装置2向燃料电池堆I供给正极气体，并且将从燃料电池堆I排出的正极排气排出到外部大气。正极气体供排装置2具备正极气体供给通路20、过滤器21、正极压缩机22、正极气体排出通路23、正极压力调节阀24、旁路通路25、旁路阀26、第一流量传感器41、第二流量传感器42、压力传感器43以及温度传感器44。
[0029]正极气体供给通路20是流通向燃料电池堆I供给的正极气体的通路。正极气体供给通路20 —端连接于过滤器21，另一端连接于燃料电池堆I的正极气体入口孔。
[0030]过滤器21将取入到正极气体供给通路20的正极气体中的异物去除。
[0031]正极压缩机22设置于正极气体供给通路20。正极压缩机22经由过滤器21将作为正极气体的空气(外部大气)取入到正极气体供给通路20，供给到燃料电池堆I。
[0032]正极气体排出通路23是流通从燃料电池堆I排出的正极排气的通路。正极气体排出通路23 —端连接于燃料电池堆I的正极气体出口孔，另一端为开口端。
[0033]正极压力调节阀24设置于正极气体排出通路23。正极压力调节阀24由控制器4来控制开闭，将供给到燃料电池堆I的正极气体的压力调节为期望的压力。
[0034]旁路通路25是为了能够将从正极压缩机22喷出的正极气体的一部分根据需要来不经由燃料电池堆I地直接排出到正极气体排出通路23而设置的通路。旁路通路25 —端连接于正极压缩机23下游的正极气体供给通路21，另一端连接于正极压力调节阀24下游的正极气体排出通路24。
[0035]旁路阀26是其开度阶段性地每次变化单位开度的开闭阀，设置于旁路通路25。旁路阀26由控制器4来控制开闭，调节在旁路通路25中流动的正极气体的流量(以下称为“旁路流量”。)。
[0036]第一流量传感器41设置于正极压缩机23上游的正极气体供给通路20。第一流量传感器41检测供给(吸入)到压缩机23的正极气体的流量(以下称为“压缩机供给流醫，，nI
O ) O
[0037]第二流量传感器42设置于与旁路通路26连接的连接部下游的正极气体供给通路20、即燃料电池堆I的正极气体入口孔附近的正极供给通路20。第二流量传感器42检测向燃料电池堆I供给的正极气体的流量(以下称为“堆供给流量”。)。
[0038]压力传感器43设置于与旁路通路26连接的连接部下游的正极气体供给通路20、即燃料电池堆I的正极气体入口孔附近的正极供给通路20。压力传感器43检测燃料电池堆I的入口压力(以下称为“堆入口压力”。)。
[0039]温度传感器44设置于正极压缩机23的喷出侧附近的正极气体供给通路20。温度传感器44检测从正极压缩机23喷出的正极气体的温度(以下称为“吸气温度”。)。
[0040]负极气体供排装置3向燃料电池堆I供给负极气体，并且将从燃料电池堆I排出的负极排气排出到正极气体排出通路23。负极气体供排装置3具备高压罐31、负极气体供给通路32、负极压力调节阀33、负极气体排出通路34以及放气阀35。
[0041]高压罐31将要向燃料电池堆I供给的负极气体保持为高压状态来贮存。
[0042]负极气体供给通路32是用于将从高压罐31排出的负极气体供给 到燃料电池堆I的通路。负极气体供给通路32—端连接于高压罐31，另一端连接于燃料电池堆I的负极气体入口孔。
[0043]负极压力调节阀33设置于负极气体供给通路32。负极压力调节阀33由控制器4来控制开闭，将供给到燃料电池堆I的负极气体的压力调节为期望的压力。
[0044]负极气体排出通路34是流通从燃料电池堆I排出的负极排气的通路。负极气体排出通路34 —端连接于燃料电池堆I的负极气体出口孔，另一端连接于正极气体排出通路23ο
[0045]经由负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路23的负极排气在正极气体排出通路23内与正极排气和在旁路通路26中流过来的正极气体相混合，排出到燃料电池系统100的外部。负极排气中包含电极反应中未使用的剩余的负极气体(氢)，因此通过像这样与正极排气和正极气体相混合来排出到燃料电池系统100的外部，使得该排出气体中的氢浓度变为预定的规定浓度以下。
[0046]放气阀35设置于负极气体排出通路34。放气阀35由控制器4来控制开闭，对从负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路23的负极排气的流量进行控制。
[0047]控制器4由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)以及输入输出接口(I/o接口)的微计算机构成。除了上述的第一流量传感器41、第二流量传感器42、压力传感器43、温度传感器44以外，加速踏板的踏下量(以下称为“加速踏板操作量”。)45、检测大气压力的大气压力传感器46等各种传感器的信号也被输入到控制器4。
[0048]控制器4基于车辆驱动用的行驶电动机(未图示)的要求电力、正极压缩机24等辅机的要求电力、电池(未图示)的充放电要求，来计算与燃料电池堆I连接的电气负载所要求的电力(以下称为“要求发电电力”。)。
[0049]另外，控制器4对正极压缩机22和旁路阀26进行反馈控制，使得同时满足堆要求和稀释要求(系统要求)。本实施方式所说的堆要求是指以下的要求:在发出要求发电电力时，考虑氧分压的确保、电解质膜的湿润状态等，在最合适的状态下使燃料电池堆I发电。稀释要求是指以下的要求:使排出到燃料电池系统100的外部的排出气体中的氢浓度为规定浓度以下。
[0050]图2是与燃料电池堆I的负荷(=要求发电电力)相应地示出使排出到燃料电池系统100的外部的排出气体的氢浓度为规定浓度以下所需的压缩机供给流量(以下称为“稀释要求压缩机供给流量”。)与发出要求发电电力所需的用于确保氧分压的堆供给流量(以下称为“达到发电要求堆供给流量”。)之间的关系的图。
[0051]如图2所示，在中高负荷区域，达到发电要求堆供给流量一方大于稀释要求压缩机供给。
[0052]因而，在中负荷区域，如果单纯地将用于使堆供给流量为达到发电要求堆供给流量的压缩机供给流量的目标值(以下称为“堆要求压缩机供给流量”。)作为目标压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，则供给到燃料电池堆I的正极气体的流量会变为达到发电要求堆供给流量，因此能够利用燃料电池堆I发出要求发电电力。然后，能够利用从燃料电池堆I排出的正极排气，来稀释从负极气体排出通路34流到正极气体排出通路23来的负极排气，从而使排出气体的氢浓度为规定浓度以下。
[0053]另一方面，如图2所示，在低负荷区域，稀释要求压缩机供给流量一方大于达到发电要求堆供给流量。
[0054]因而，为了在低负荷区域使排出气体的氢浓度为规定浓度以下，需要将目标压缩机供给流量设为稀释要求压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，通过正极压缩机22供给比利用燃料电池堆I发出要求发电电力所需的正极气体流量(达到发电要求堆供给流量)多的正极气体。然而，如果这样则发电所不需要的剩余的正极气体会被供给到燃料电池堆I。因此，存在以下担忧:构成燃料电池堆I的各燃料电池的电解质膜干燥，燃料电池堆I的发电效率降低。
[0055]因此，在稀释要求压缩机供给流量大于堆要求压缩机供给流量时，需要一边将目标压缩机供给流量设为稀释要求压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，一边打开旁路阀26来使发电所不需要的剩余的正极气体流向旁路通路25。也就是说，需要打开旁路阀26，以使旁路流量为从稀释要求压缩机供给流量减去发电要求堆供给流量(=将堆供给流量朝向达到发电要求堆供给流量进行控制时的堆供给流量的目标值)所得的目标旁路流量。
[0056]但是，在本实施方式中，只能使旁路阀26的开度阶段性地每次增大单位开度。因此，有时无法使旁路流量与目标旁路流量一致。这样一来，存在以下情况:为了使旁路流量与目标旁路流量一致而反复进行旁路阀26的开闭，旁路流量在目标旁路流量左右上上下下。其结果，发现以下问题:与因旁路阀26开闭所引起的压力变动连动地，压缩机供给流量上下变动而正极压缩机产生旋转变动，存在从正极压缩机产生异声的担忧。
[0057]下面，为了易于理解本发明，在说明本实施方式的正极系统的控制之前，首先参照图6来说明比较例的正极系统的控制。然后，接着参照图7来说明在比较例的正极系统的控制中会产生这种问题的原因。
[0058]图6示出了比较例的正极系统的控制模块。
[0059]比较例的正极系统的控制模块具备发电要求堆供给流量计算部101、目标堆供给流量设定部102、堆要求压缩机供给流量计算部103、目标压缩机供给流量设定部104、正极压缩机控制部105以及旁路阀控制部106。
[0060]对发电要求堆供给流量计算部101输入燃料电池堆的实际发电电力以及根据燃料电池堆I的负荷而设定的要求发电电力。发电要求堆供给流量计算部101将使实际发电电力为要求发电电力所需的堆供给流量设定为达到发电要求堆供给流量，计算使堆供给流量向所设定的该达到发电要求堆供给流量变化时的目标值来作为发电要求堆供给流量。换言之，该发电要求堆供给流量是在利用燃料电池堆I发出要求发电电力时确保在各燃料电池的正极电极内电极反应所需的氧分压所需的堆供给流量的目标值。
[0061]对目标堆供给流量设定部102输入发电要求堆供给流量以及湿润要求堆供给流量。在此，湿润要求堆供给流量是将电解质膜的湿润度(含水率)控制为与燃料电池堆I的负荷相应的最佳湿润度(要求湿润度)所需的堆供给流量。目标堆供给流量设定部102将发电要求堆流量和湿润要求堆供给流量中大的一方设定为目标堆供给流量。这样，目标堆供给流量设定部102将与燃料电池堆I的负荷相应的最佳堆供给流量设定为目标堆供给流量。
[0062]对堆要求压缩机供给流量计算部103输入目标堆供给流量以及由第二流量传感器42检测出的堆供给流量(以下称为“实际堆供给流量”。)。堆要求压缩机供给流量计算部103基于目标堆流量与实际堆流量的偏差，计算用于使实际堆供给流量向目标堆供给流量变化的压缩机供给流量的目标值，来作为堆要求压缩机供给流量。具体地说，根据同目标堆流量与实际堆流量的偏差成比例的成分以及对目标堆流量与实际堆流量的偏差进行时间积分所得的成分实施PI (proport1nal integral:比例积分)控制，来计算堆要求压缩机供给流量。这样，堆要求压缩机供给流量是为了满足发电要求、湿润要求等燃料电池堆I的要求而需要的压缩机供给流量。也就是说，堆要求压缩机供给流量是基于燃料电池堆I的要求而计算出的压缩机供给流量的目标值。
[0063]此外，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，在作为操作量的堆要求压缩机供给流量在下限值饱和时，为了防止过量的积分运算所导致的振动(所谓的饱和(wind up)现象)，实施以下的PI控制:仅实施堆要求压缩机供给流量大于下限值的积分运算，停止堆要求压缩机供给流量小于下限值的积分运算。
[0064]对目标压缩机供给流量设定部104输入堆要求压缩机供给流量以及根据燃料电池堆I的负荷而决定的稀释要求压缩机供给流量。目标压缩机供给流量设定部104将稀释要求压缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量。此外，稀释要 求压缩机供给流量不是满足燃料电池堆I的要求所需的压缩机供给流量的目标值，而是满足使排出气体中的氢浓度为规定浓度以下这样的燃料电池系统100的要求所需的压缩机供给流量的目标值。也就是说，稀释要求压缩机供给流量是基于燃料电池系统100的要求而计算出的压缩机供给流量的目标值。
[0065]这样，在目标压缩机供给流量设定部104中，稀释要求压缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量中的大的一方被设定为目标压缩机供给流量。因而，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，从堆要求压缩机供给流量计算部103来看，与作为操作量的堆要求压缩机供给流量在下限值(在此为稀释要求压缩机供给流量)饱和的状态是等效的。
[0066]因此，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，停止堆要求压缩机供给流量小于稀释要求压缩机供给流量的积分运算。
[0067]也就是说，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，仅在实际堆供给流量小于目标堆供给流量时(需要增大堆要求压缩机流量时)实施目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。然后，在实际堆供给流量大于目标堆供给流量时(需要减小堆要求压缩机流量时)，停止目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。
[0068]对正极压缩机控制部105输入目标压缩机供给流量以及由第一流量传感器41检测出的压缩机供给流量(以下称为“实际压缩机供给流量”。)。正极压缩机控制部105基于目标压缩机供给流量与实际压缩机供给流量的偏差来输出针对正极压缩机22的控制信号，使得实际压缩机供给流量为目标压缩机供给流量。具体地说，根据同目标压缩机供给流量与实际压缩机供给流量的偏差成比例的成分以及对目标压缩机供给流量与实际压缩机供给流量的偏差进行时间积分所得的成分实施PI控制，来输出针对正极压缩机22的控制信号。
[0069]对旁路阀控制部106输入实际堆供给流量和目标堆供给流量。旁路阀控制部106基于目标堆流量与实际堆流量的偏差来输出旁路阀26的驱动信号。具体地说，根据同目标堆流量与实际堆流量的偏差成比例的成分以及对目标堆流量与实际堆流量的偏差进行时间积分所得的成分实施PI控制，来计算旁路阀操作量，在该旁路阀操作量超过规定量时输出旁路阀26的驱动信号。
[0070]在此，如前所述，在本实施方式中，只能使旁路阀26的开度阶段性地每次增大单位开度。因此，在比较例的正极系统的控制中，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，存在以下的情况:无法使旁路流量与目标旁路流量一致，从而无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。参照图7来说明这种情况下产生的上述的问题。
[0071]图7是说明无法使旁路流量与目标旁路流量一致的情况下产生的问题的图，是表示比较例的正极系统的控制的动作的时序图。
[0072]当在时刻tl例如加速踏板操作量减少而要求发电电力降低、从而达到发电要求堆供给流量降低时，目标堆供给流量(发电要求堆供给流量)朝向达到发电要求堆供给流量逐渐降低(图7的(A))。其结果，实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量，因此由堆要求压缩机供给流量计算部103计算出的堆要求压缩机供给流量也逐渐降低(图7的(B))。此外，在此，是以发电要求堆供给流量大于湿润要求堆供给流量为前提来进行说明的。
[0073]在时刻tl到时刻t2的期间，堆要求压缩机供给流量大于稀释要求压缩机供给流量，因此堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量(图7的(B))。其结果，会对响应性好的正极压缩机进行控制使得实际压缩机供给流量为堆要求压缩机供给流量，因此，实际堆供给流量会大致跟踪目标堆供给流量地降低(图7的(A))。
[0074]当在时刻t2堆要求压缩机供给流量低于稀释要求压缩机供给流量时，稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，控制正极压缩机使得实际压缩机供给流量为稀释要求压缩机供给流量(图7的(B))。其结果，实际堆供给流量不再跟踪目标堆供给流量地降低而成为固定(图7的(A))。然后，在时刻t2以后目标堆供给流量仍降低，因此实际堆供给流量慢慢变得大于目标堆供给流量，目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差慢慢逐渐扩大(图7的(B))。
[0075]当像这样目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差逐渐扩大时，由旁路阀控制部106的PI控制计算出的旁路阀操作量慢慢逐渐变大。此外，当在以下的说明中需要特别区分时，将实际堆供给流量大于目标堆供给流量时计算出的旁路阀操作量称为“打开侧旁路阀操作量”，将实际堆供给流量小于目标堆供给流量时计算出的旁路阀操作量称为“闭合侧旁路阀操作量”。
[0076]当在时刻t3打开侧旁路阀操作量超过了规定量时，输出旁路阀26的驱动信号，使旁路阀26打开单位开度(图7的(C))。其结果，原本供给到燃料电池堆I的剩余的正极气体流向旁路通路25，实际堆供给流量减少到目标堆供给流量(图7的(A))，旁路流量增加到目标旁路流量(图7的(D))。
[0077]然而，在时刻t3以后目标堆供给流量仍降低，因此实际堆供给流量再次慢慢变得大于目标堆供给流量(图7的(A))，在时刻t4使旁路阀26再打开单位开度(图7的(C))。其结果，实际堆供给流量再次减少到目标堆供给流量(图7的(A))，旁路流量增加到目标旁路流量(图7的(D))。
[0078]当在时刻t5发电要求堆供给流量降低到达到发电要求堆供给流量而目标堆供给流量固定时，之后目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定(图7的(A))。在时刻t5的时间点，稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，且成为实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，停止偏差的时间积分的运算。因此，在时刻t5随着目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定，堆要求压缩机供给流量固定(图7的(B))。
[0079]另一方面，在旁路阀控制部106的PI控制中，实施偏差的时间积分的运算，因此通过旁路阀控制部106的PI控制而计算出的打开侧旁路阀操作量在时刻t5以后也逐渐变大。
[0080]当在时刻t6打开侧旁路阀操作量超过规定量时，输出旁路阀26的驱动信号来使旁路阀26再打开单位开度(图7的(C))，但是这次无法将实际堆供给流量控制为目标堆供给流量(无法将旁路流量控制为目标旁路流量)，实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量(图7的(A))。其结果，通过旁路阀控制部106的PI控制，这次闭合侧旁路阀操作量会慢慢逐渐变大。
[0081]另外，当在时刻t6使旁路阀26打开单位开度、而变为实际堆供给流量小于目标堆供给流量的状态时，在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中重新开始偏差的时间积分的运算。因此，堆要求压缩机供给流量增加(图7的(B))。
[0082]当在时刻t7闭合侧旁路阀操作量超过了规定量时，输出旁路阀26的驱动信号，这次使旁路阀26闭合单位开度(图7的(C))，实际堆供给流量再次变得大于目标堆供给流量(图7的(A))。
[0083]另外，当在时刻t7旁路阀26闭合单位开度时，变为实际堆供给再次大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103中，停止偏差的时间积分的运算，堆要求压缩机供给流量固定(图7的(B))。然后，当在时刻t8使旁路阀26打开单位开度来变为实际堆供给小于目标堆供给流量的状态时，再次实施偏差的时间积分的运算，堆要求压缩机供给流量增加(图7的(B))。
[0084]像这样，在时刻t6以后反复进行旁路阀26的开闭，堆要求压缩机供给流量会慢慢逐渐增加。
[0085]然后，当在时刻t9使旁路阀26打开单位开度时，实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量(图7的(A))，因此堆供给压缩机供给流量增加(图7的(B))。其结果，堆要求压缩机供给流量变得大于稀释要求压缩 机供给流量(图7的(B))，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，实际压缩机供给流量增大(图7的(B))。
[0086]当在时刻tlO使旁路阀26闭合单位开度时，实际堆供给流量增加与其相应的量。其结果，实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量(图7的(A))，这次堆要求压缩机供给流量降低(图7的(B))。
[0087]然后，当在时刻til堆要求压缩机供给流量降低到稀释要求堆要求压缩机流量时(图7的(B))，控制正极压缩机使得实际压缩机供给流量为稀释要求堆要求压缩机，实际压缩机供给流量固定(图7的(B))。在时刻til到时刻tl2的期间，实际堆供给流量大于目标堆供给流量(图7的(A))，因此停止堆要求压缩机供给流量计算部103中的偏差的时间积分的运算。因而，堆要求压缩机供给流量也固定为稀释要求压缩机供给流量(图7的⑶
[0088]然后，当在时刻tl2使旁路阀26打开单位开度时(图7的(C))，堆要求压缩机供给流量再次变得大于稀释要求压缩机供给流量(图7的(B))，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，实际压缩机供给流量增大(图7的(A))。
[0089]由于像这样反复进行旁路阀26的开闭，最终会如时刻t9以后那样实际压缩机供给流量上下变动，产生正极压缩机22的旋转变动而从正极压缩机22产生异声。
[0090]在此，作为防止反复进行旁路阀26的开闭的方法，例如想到了以下方法:在处于实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差为规定量以下的状态、即一打开旁路阀26、实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态时，禁止旁路阀26的驱动来固定旁路阀26。
[0091]然而，在这种方法中，虽然能够防止反复进行旁路阀26的开闭，但是存在无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致的问题。下面，参照图8来说明这个问题。
[0092]图8是表示在比较例的正极系统的控制中、在成为一打开旁路阀26、实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态的情况下使旁路阀26的驱动禁止时的动作的时序图。
[0093]如图8所示，在时刻t4以后，处于实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差为规定量以下的状态、即一打开旁路阀26、实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态。因而，当在时刻t4以后禁止旁路阀26的驱动时，在时刻t5以后，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标堆供给流量的状态、且实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下，目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定。
[0094]这样一来，在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，会停止目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差的时间积分的运算，因此在时刻t5以后堆要求压缩机供给流量会成为固定(图8的(B))。因此，会继续将稀释要求压缩机供给流量设定为目标堆供给流量，因此变得无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0095]当像这样无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致时，各燃料电池的电解质膜变为过干燥状态或过湿润状态，发电效率降低。
[0096]因此，在本实施方式中，更细致地设定了禁止旁路阀26的驱动(固定旁路阀26)的时机，使得能够在防止这种反复进行旁路阀26的开闭的同时使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。下面，说明本实施方式的正极系统的控制。
[0097]图3示出了本实施方式的正极系统的控制模块。此外，在本实施方式的正极系统的控制模块中，对于实现了与比较例的正极系统的控制模块相同的功能的部分，使用同一标记并适当省略重复的说明。
[0098]本实施方式的正极系统的控制模块还具备旁路阀固定信号输出部107。
[0099]对旁路阀固定信号输出部107输入实际堆供给流量、目标堆供给流量、稀释要求压缩机供给流量以及堆要求压缩机供给流量。旁路阀固定信号输出部107基于这些输入信号，输出用于禁止旁路阀26的驱动来将旁路阀26固定于当前位置的旁路阀固定信号。旁路阀固定信号被输入到旁路阀控制部106。
[0100]图4是说明控制器4在旁路阀固定信号输出部107中实施的控制内容的流程图。[0101 ] 在步骤SI中，控制器4判定堆要求压缩机供给流量是否被设定为目标压缩机供给流量。如果堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，则控制器4进行步骤S3的处理。另一方面，如果稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，则进行步骤S2的处理。
[0102]在步骤S2中，控制器4判定实际堆供给流量是否处于旁路阀固定范围内。旁路阀固定范围处于以目标堆供给流量为上限、以目标堆供给流量减去规定值所得的流量(以下称为“固定范围下限流量”。)为下限的范围内。如果实际堆供给流量处于旁路阀固定范围内，则控制器4进行步骤S3的处理。另一方面，如果实际堆供给流量未处于旁路阀固定范围内，则进行步骤S4的处理。
[0103]在步骤S3中，控制器4将旁路阀固定信号设为ON(开启)。
[0104]在步骤S4中，控制器4将旁路阀固定信号设为OFF(关闭)。
[0105]图5是说明本实施方式的正极系统的控制的动作的时序图。
[0106]在时刻t2之前，堆要求压缩机供给流量这一方比稀释要求压缩机供给流量大(图5的(B))，因此堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量。因此，旁路阀固定信号为ON(SI中“是”，S3 ;图5的(E))。
[0107]然后，当在时刻t2堆要求压缩机供给流量低于稀释要求压缩机供给流量、并且稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，判定实际堆供给流量是否处于旁路阀固定范围内(SI中“否”，S2)。在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，会将堆要求压缩机供给流量以上的正极气体供给到燃料电池堆，因此实际堆供给流量逐渐变得大于目标堆供给流量(图5的(A))。因此，实际堆供给流量为旁路阀固定范围夕卜，旁路阀固定信号为0FF(S2中“否”，S4 ;图5的(A) (E))，与比较例时同样地，在时刻t3、时刻t4、时刻t6，旁路阀26阶段性地每次打开单位开度(图5的(C))。
[0108]当在时刻t6旁路阀26打开、由此实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量、实际堆供给流量进入旁路阀固定范围内时，旁路阀固定信号为ON(S2中“是”，S3 ;图5的(A)(E)) ο由此，旁路阀26的开度被固定于当前位置。
[0109]另外，在时刻t2到时刻6的期间，成为稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，停止偏差的时间积分的运算。因此，在时刻t5随着目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差变为固定，堆要求压缩机供给流量固定(图5的(B))。然后，在时刻t6实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量，由此在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中重新开始偏差的时间积分的运算，堆要求压缩机供给流量慢慢逐渐增加(图5的(B)) ο
[0110]然后，当在时刻t21堆要求压缩机供给流量高于稀释要求压缩机供给流量时(图5的(B))，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量。
[0111]在时刻t21以后，实际堆供给流量也小于目标堆供给流量(图5的(A))，因此堆要求压缩机供给流量逐渐增大，目标压缩机供给流量也随之逐渐增大。由此，随着目标压缩机供给流量的增大，实际堆供给流量也逐渐增大(图5的(B))。
[0112]其结果，能够在时刻t22使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0113]使用以下的场景来说明以上说明的本实施方式的燃料电池系统100的效果:从堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、进行控制使得实际压缩机供给流量为堆要求压缩机供给流量的状态起，燃料电池堆I的负荷变小，稀释要求压缩机供给流量(系统要求压缩机供给流量)被设定为目标压缩机供给流量。
[0114]在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量的 情况下，正极压缩机22开始向燃料电池堆I流通发电所需的流量(目标堆供给流量)以上的正极气体。于是，为了使对燃料电池堆I来说不需要的流量的量的正极气体分到旁路来将实际堆供给流量控制为目标堆供给流量，基于实际堆供给流量和目标堆供给流量来开始旁路阀26的开阀。
[0115]在此，旁路阀26的开阀是从实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态开始的，在本实施方式中，在实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀26。因此，能够抑制继续对燃料电池堆I供给发电所需的流量(目标堆供给流量)以上的正极气体，从而抑制使电解质膜干燥。
[0116]另外，另一方面，如上所述，在固定旁路阀26的状态下，存在以下担忧:成为实际堆供给流量相对于目标堆供给流量不足的状态，无法向燃料电池堆供给发电所需的流量的量的正极气体，输出电压降低。与此相对，在本实施方式中，能够通过如下那样控制正极压缩机22来补充不足量的正极气体，因此能够抑制输出电压的降低。
[0117]S卩，在本实施方式中，基于燃料电池堆I的负荷来计算目标堆供给流量，基于实际堆供给流量和目标堆供给流量来计算用于使实际堆供给流量为目标堆供给流量的堆要求压缩机供给流量。然后，将堆要求压缩机供给流量和稀释要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制上述压缩机。
[0118]因此，当堆要求压缩机供给流量变得大于稀释要求压缩机供给流量时，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，对正极压缩机22进行控制使得实际压缩机供给流量变为堆要求压缩机供给流量。这样一来，正极压缩机22会补充因固定旁路阀26所引起的给燃料电池堆I的正极气体的流量不足，因此能够向燃料电池堆I供给发电所需的流量的量的正极气体。因此，能够抑制输出电压降低。
[0119]另外，在本实施方式中，为了防止饱和现象，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，仅在实际堆供给流量小于目标堆供给流量时(需要增大堆要求压缩机流量时)实施目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。然后，在实际堆供给流量大于目标堆供给流量时(需要减小堆要求压缩机流量时)，停止目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。
[0120]因此，若在实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下禁止旁路阀26的驱动，则随着禁止旁路阀26的驱动，实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差变为固定，此时，偏差的时间积分被停止而变得无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0121]与此相对，在本实施方式中在实际堆供给流量低于目标堆供给流量后禁止旁路阀26的驱动，由此即使在实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差固定的情况下，也能够实施偏差的时间积分。因此，能够使堆要求压缩机供给流量增大，从而使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。因而，能够抑制各燃料电池的电解质膜变为过干燥状态、过湿润状态的情况，因此能够抑制发电效率的降低。
[0122]以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
[0123]在上述实施方式中，对目标堆供给流量计算部102输入了发电要求堆供给流量和湿润要求堆供给流量，但是除此以外，也可以输入根据燃料电池堆I的负荷而决定的液泛防止用的堆供给流量，将它们的最大值设为目标堆供给流量。这样，作为燃料电池堆I的要求，也可以除了上述的发电要求、湿润要求以外还追加液泛防止要求。
[0124]另外，在上述实施方式中，对目标压缩机供给流量设定部104输入了稀释要求压缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量，但是除此以外，也可以输入正极压缩机22的浪涌防止用的压缩机供给流量，将它们的最大值设为目标压缩机供给流量。该浪涌防止用的压缩机供给流量不是满足燃料电池堆I的要求所需的压缩机供给流量的目标值，而是满足防止正极压缩机22的浪涌这样的燃料电池系统100的要求所需的压缩机供给流量的目标值。这样，作为燃料电池系统100的要求，也可以除了上述的稀释要求以外还追加浪涌防止要求。
[0125]另外，在上述实施方式中，在正极压缩机控制部105中，实施了基于目标压缩机供给流量和实际压缩机供给流量的反馈控制，但是也可以实施基于目标压缩机供给流量的前馈控制。
[0126]另外，在上述实施方式中，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀26，但是也可以不是完全固定，而在此时限制旁路阀26的驱动。
[0127]本申请基于2012年12月28日向日本专利局申请的特愿2012-287934号要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。
【主权项】
1.一种燃料电池系统，具备: 正极气体供给通路，其用于向燃料电池堆供给正极气体； 压缩机，其设置于上述正极气体供给通路； 旁路通路，其用于使从上述压缩机喷出的正极气体的一部分绕过上述燃料电池堆而排出；以及 旁路阀，其设置于上述旁路通路，用于调节流过上述旁路通路的正极气体的流量， 该燃料电池系统还具备: 堆供给流量检测单元，其用于检测向上述燃料电池堆供给的堆供给流量； 压缩机控制单元，其将基于上述燃料电池堆的要求而计算出的堆要求压缩机供给流量和基于上述燃料电池系统的要求而计算出的系统要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制上述压缩机； 旁路阀控制单元，其基于上述堆供给流量和应该向上述燃料电池堆供给的目标堆供给流量来控制上述旁路阀；以及 限制单元，其在上述系统要求压缩机供给流量被设定为上述目标压缩机供给流量、且上述堆供给流量变得小于上述目标堆供给流量时，固定上述旁路阀或者限制上述旁路阀的驱动。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述压缩机控制单元基于上述燃料电池堆的负荷来计算上述目标堆供给流量，基于上述堆供给流量和上述目标堆供给流量来计算用于使上述堆供给流量为上述目标堆供给流量的上述堆要求压缩机供给流量。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述系统要求压缩机供给流量被设定为上述目标压缩机供给流量的情况下，上述压缩机控制单元仅在上述堆供给流量小于上述目标堆供给流量时实施反馈控制，来计算上述堆要求压缩机供给流量，其中，在该反馈控制中运算上述堆供给流量与上述目标堆供给流量的偏差的时间积分。4.根据权利要求1?3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备: 正极气体排出通路，其供流过上述旁路通路而来的正极气体和从上述燃料电池堆排出的正极排气流通；以及 负极气体排出通路，其用于将从上述燃料电池堆排出的负极气体排出到上述正极气体排出通路， 其中，上述系统要求压缩机供给流量是使上述正极气体排出通路内的氢浓度为规定值以下所需的压缩机供给流量的目标值。
【专利摘要】燃料电池系统将基于燃料电池堆的要求而计算出的堆要求压缩机供给流量和基于燃料电池系统的要求而计算出的系统要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制压缩机。另外，燃料电池系统基于堆供给流量和应该向燃料电池堆供给的目标堆供给流量来控制旁路阀。而且，燃料电池系统在系统要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀或者限制旁路阀的驱动。
【IPC分类】H01M8/04
【公开号】CN104885280
【申请号】CN201380068651
【发明人】浅井祥朋, 武田大
【申请人】日产自动车株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年11月13日
【公告号】CA2896665A1, EP2940768A1, US20150349359, WO2014103547A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]在日本JP2009-123550A中，作为以往的燃料电池系统，记载了如下的燃料电池系统:使从正极压缩机喷出的正极气体中的燃料电池堆的发电所不需要的量流过旁路通路后排出到正极气体排出通路。由此，该以往的燃料电池系统将供给到燃料电池堆的正极气体的流量(堆供给流量)控制为根据发电要求设定的目标堆供给流量。
【发明内容】
[0003]上述的以往的燃料电池系统基于堆供给流量和目标堆供给流量来控制设置于旁路通路的旁路阀的开度，使得堆供给流量为目标堆供给流量。
[0004]在实施这种控制的燃料电池系统中，特别是在旁路阀的开度分辨率粗糙的情况下等，存在以下情况:无法使堆供给流量与目标堆供给流量一致，而在目标堆供给流量附近反复进行旁路阀的开闭。这样一来，在旁路阀为步进电动机这样的情况下存在产生异声的担忧。作为防止这种旁路阀的开闭的方法，列举出了以下做法:在堆供给流量变为目标堆供给流量附近时，固定旁路阀。
[0005]然而，当在堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下固定旁路阀时，会将发电所需的流量以上的正极气体供给到燃料电池堆，从而存在使电解质膜干燥的问题。
[0006]本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于抑制反复进行旁路阀的开闭的同时还抑制电解质膜的干燥。
_7] 用于解决问题的方案
[0008]根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备:正极气体供给通路，其用于向燃料电池堆供给正极气体；压缩机，其设置于正极气体供给通路；旁路通路，其用于使从压缩机喷出的正极气体的一部分绕过燃料电池堆而排出；旁路阀，其用于调节流过旁路通路的正极气体的流量；以及堆供给流量检测单元，其用于检测向燃料电池堆供给的堆供给流量。
[0009]该燃料电池系统将基于燃料电池堆的要求而计算出的堆要求压缩机供给流量和基于燃料电池系统的要求而计算出的系统要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制压缩机。另外，燃料电池系统基于堆供给流量和应该向燃料电池堆供给的目标堆供给流量来控制旁路阀。
[0010]而且，燃料电池系统在系统要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀或者限制旁路阀的驱动。
【附图说明】
[0011]图1是本发明的一个实施方式的燃料电池系统的概要图。
[0012]图2是与燃料电池堆的负荷相应地示出稀释要求压缩机供给流量与达到发电要求堆供给流量的关系的图。
[0013]图3示出了本实施方式的正极系统的控制模块。
[0014]图4是说明控制器在旁路阀固定信号输出部中实施的控制内容的流程图。
[0015]图5是说明本实施方式的正极系统的控制的动作的时序图。
[0016]图6示出了比较例的正极系统的控制模块。
[0017]图7是表示比较例的正极系统的控制的动作的时序图。
[0018]图8是表示在比较例的正极系统的控制中成为一打开旁路阀实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态的情况下禁止旁路阀的驱动时的动作的时序图。
【具体实施方式】
[0019]下面，参照附图等来说明本发明的一个实施方式。
[0020]燃料电池通过用负极(anode)电极(燃料极)和正极(cathode)电极(氧化剂极)将电解质膜夹在中间并向负极电极供给含氢的负极气体(燃料气体)、向正极电极供给含氧的正极气体(氧化剂气体)来进行发电。在负极电极和正极电极这两个电极处进行的电极反应如下。
[0021]负极电极:2H2—4H ++4e...(I)
[0022]正极电极:4H++4e+02— 2H20…(2)
[0023]通过该(I)、⑵的电极反应，燃料电池产生I伏特左右的电动势。
[0024]在将燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于要求的电力大，因此作为将数百块的燃料电池层叠所得的燃料电池堆来进行使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
[0025]图1是本发明的一个实施方式的燃料电池系统100的概要图。
[0026]燃料电池系统100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3以及控制器4。
[0027]燃料电池堆I是层叠数百块燃料电池而得的，接受负极气体和正极气体的供给，来发出驱动车辆所需的电力。
[0028]正极气体供排装置2向燃料电池堆I供给正极气体，并且将从燃料电池堆I排出的正极排气排出到外部大气。正极气体供排装置2具备正极气体供给通路20、过滤器21、正极压缩机22、正极气体排出通路23、正极压力调节阀24、旁路通路25、旁路阀26、第一流量传感器41、第二流量传感器42、压力传感器43以及温度传感器44。
[0029]正极气体供给通路20是流通向燃料电池堆I供给的正极气体的通路。正极气体供给通路20 —端连接于过滤器21，另一端连接于燃料电池堆I的正极气体入口孔。
[0030]过滤器21将取入到正极气体供给通路20的正极气体中的异物去除。
[0031]正极压缩机22设置于正极气体供给通路20。正极压缩机22经由过滤器21将作为正极气体的空气(外部大气)取入到正极气体供给通路20，供给到燃料电池堆I。
[0032]正极气体排出通路23是流通从燃料电池堆I排出的正极排气的通路。正极气体排出通路23 —端连接于燃料电池堆I的正极气体出口孔，另一端为开口端。
[0033]正极压力调节阀24设置于正极气体排出通路23。正极压力调节阀24由控制器4来控制开闭，将供给到燃料电池堆I的正极气体的压力调节为期望的压力。
[0034]旁路通路25是为了能够将从正极压缩机22喷出的正极气体的一部分根据需要来不经由燃料电池堆I地直接排出到正极气体排出通路23而设置的通路。旁路通路25 —端连接于正极压缩机23下游的正极气体供给通路21，另一端连接于正极压力调节阀24下游的正极气体排出通路24。
[0035]旁路阀26是其开度阶段性地每次变化单位开度的开闭阀，设置于旁路通路25。旁路阀26由控制器4来控制开闭，调节在旁路通路25中流动的正极气体的流量(以下称为“旁路流量”。)。
[0036]第一流量传感器41设置于正极压缩机23上游的正极气体供给通路20。第一流量传感器41检测供给(吸入)到压缩机23的正极气体的流量(以下称为“压缩机供给流醫，，nI
O ) O
[0037]第二流量传感器42设置于与旁路通路26连接的连接部下游的正极气体供给通路20、即燃料电池堆I的正极气体入口孔附近的正极供给通路20。第二流量传感器42检测向燃料电池堆I供给的正极气体的流量(以下称为“堆供给流量”。)。
[0038]压力传感器43设置于与旁路通路26连接的连接部下游的正极气体供给通路20、即燃料电池堆I的正极气体入口孔附近的正极供给通路20。压力传感器43检测燃料电池堆I的入口压力(以下称为“堆入口压力”。)。
[0039]温度传感器44设置于正极压缩机23的喷出侧附近的正极气体供给通路20。温度传感器44检测从正极压缩机23喷出的正极气体的温度(以下称为“吸气温度”。)。
[0040]负极气体供排装置3向燃料电池堆I供给负极气体，并且将从燃料电池堆I排出的负极排气排出到正极气体排出通路23。负极气体供排装置3具备高压罐31、负极气体供给通路32、负极压力调节阀33、负极气体排出通路34以及放气阀35。
[0041]高压罐31将要向燃料电池堆I供给的负极气体保持为高压状态来贮存。
[0042]负极气体供给通路32是用于将从高压罐31排出的负极气体供给 到燃料电池堆I的通路。负极气体供给通路32—端连接于高压罐31，另一端连接于燃料电池堆I的负极气体入口孔。
[0043]负极压力调节阀33设置于负极气体供给通路32。负极压力调节阀33由控制器4来控制开闭，将供给到燃料电池堆I的负极气体的压力调节为期望的压力。
[0044]负极气体排出通路34是流通从燃料电池堆I排出的负极排气的通路。负极气体排出通路34 —端连接于燃料电池堆I的负极气体出口孔，另一端连接于正极气体排出通路23ο
[0045]经由负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路23的负极排气在正极气体排出通路23内与正极排气和在旁路通路26中流过来的正极气体相混合，排出到燃料电池系统100的外部。负极排气中包含电极反应中未使用的剩余的负极气体(氢)，因此通过像这样与正极排气和正极气体相混合来排出到燃料电池系统100的外部，使得该排出气体中的氢浓度变为预定的规定浓度以下。
[0046]放气阀35设置于负极气体排出通路34。放气阀35由控制器4来控制开闭，对从负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路23的负极排气的流量进行控制。
[0047]控制器4由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)以及输入输出接口(I/o接口)的微计算机构成。除了上述的第一流量传感器41、第二流量传感器42、压力传感器43、温度传感器44以外，加速踏板的踏下量(以下称为“加速踏板操作量”。)45、检测大气压力的大气压力传感器46等各种传感器的信号也被输入到控制器4。
[0048]控制器4基于车辆驱动用的行驶电动机(未图示)的要求电力、正极压缩机24等辅机的要求电力、电池(未图示)的充放电要求，来计算与燃料电池堆I连接的电气负载所要求的电力(以下称为“要求发电电力”。)。
[0049]另外，控制器4对正极压缩机22和旁路阀26进行反馈控制，使得同时满足堆要求和稀释要求(系统要求)。本实施方式所说的堆要求是指以下的要求:在发出要求发电电力时，考虑氧分压的确保、电解质膜的湿润状态等，在最合适的状态下使燃料电池堆I发电。稀释要求是指以下的要求:使排出到燃料电池系统100的外部的排出气体中的氢浓度为规定浓度以下。
[0050]图2是与燃料电池堆I的负荷(=要求发电电力)相应地示出使排出到燃料电池系统100的外部的排出气体的氢浓度为规定浓度以下所需的压缩机供给流量(以下称为“稀释要求压缩机供给流量”。)与发出要求发电电力所需的用于确保氧分压的堆供给流量(以下称为“达到发电要求堆供给流量”。)之间的关系的图。
[0051]如图2所示，在中高负荷区域，达到发电要求堆供给流量一方大于稀释要求压缩机供给。
[0052]因而，在中负荷区域，如果单纯地将用于使堆供给流量为达到发电要求堆供给流量的压缩机供给流量的目标值(以下称为“堆要求压缩机供给流量”。)作为目标压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，则供给到燃料电池堆I的正极气体的流量会变为达到发电要求堆供给流量，因此能够利用燃料电池堆I发出要求发电电力。然后，能够利用从燃料电池堆I排出的正极排气，来稀释从负极气体排出通路34流到正极气体排出通路23来的负极排气，从而使排出气体的氢浓度为规定浓度以下。
[0053]另一方面，如图2所示，在低负荷区域，稀释要求压缩机供给流量一方大于达到发电要求堆供给流量。
[0054]因而，为了在低负荷区域使排出气体的氢浓度为规定浓度以下，需要将目标压缩机供给流量设为稀释要求压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，通过正极压缩机22供给比利用燃料电池堆I发出要求发电电力所需的正极气体流量(达到发电要求堆供给流量)多的正极气体。然而，如果这样则发电所不需要的剩余的正极气体会被供给到燃料电池堆I。因此，存在以下担忧:构成燃料电池堆I的各燃料电池的电解质膜干燥，燃料电池堆I的发电效率降低。
[0055]因此，在稀释要求压缩机供给流量大于堆要求压缩机供给流量时，需要一边将目标压缩机供给流量设为稀释要求压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，一边打开旁路阀26来使发电所不需要的剩余的正极气体流向旁路通路25。也就是说，需要打开旁路阀26，以使旁路流量为从稀释要求压缩机供给流量减去发电要求堆供给流量(=将堆供给流量朝向达到发电要求堆供给流量进行控制时的堆供给流量的目标值)所得的目标旁路流量。
[0056]但是，在本实施方式中，只能使旁路阀26的开度阶段性地每次增大单位开度。因此，有时无法使旁路流量与目标旁路流量一致。这样一来，存在以下情况:为了使旁路流量与目标旁路流量一致而反复进行旁路阀26的开闭，旁路流量在目标旁路流量左右上上下下。其结果，发现以下问题:与因旁路阀26开闭所引起的压力变动连动地，压缩机供给流量上下变动而正极压缩机产生旋转变动，存在从正极压缩机产生异声的担忧。
[0057]下面，为了易于理解本发明，在说明本实施方式的正极系统的控制之前，首先参照图6来说明比较例的正极系统的控制。然后，接着参照图7来说明在比较例的正极系统的控制中会产生这种问题的原因。
[0058]图6示出了比较例的正极系统的控制模块。
[0059]比较例的正极系统的控制模块具备发电要求堆供给流量计算部101、目标堆供给流量设定部102、堆要求压缩机供给流量计算部103、目标压缩机供给流量设定部104、正极压缩机控制部105以及旁路阀控制部106。
[0060]对发电要求堆供给流量计算部101输入燃料电池堆的实际发电电力以及根据燃料电池堆I的负荷而设定的要求发电电力。发电要求堆供给流量计算部101将使实际发电电力为要求发电电力所需的堆供给流量设定为达到发电要求堆供给流量，计算使堆供给流量向所设定的该达到发电要求堆供给流量变化时的目标值来作为发电要求堆供给流量。换言之，该发电要求堆供给流量是在利用燃料电池堆I发出要求发电电力时确保在各燃料电池的正极电极内电极反应所需的氧分压所需的堆供给流量的目标值。
[0061]对目标堆供给流量设定部102输入发电要求堆供给流量以及湿润要求堆供给流量。在此，湿润要求堆供给流量是将电解质膜的湿润度(含水率)控制为与燃料电池堆I的负荷相应的最佳湿润度(要求湿润度)所需的堆供给流量。目标堆供给流量设定部102将发电要求堆流量和湿润要求堆供给流量中大的一方设定为目标堆供给流量。这样，目标堆供给流量设定部102将与燃料电池堆I的负荷相应的最佳堆供给流量设定为目标堆供给流量。
[0062]对堆要求压缩机供给流量计算部103输入目标堆供给流量以及由第二流量传感器42检测出的堆供给流量(以下称为“实际堆供给流量”。)。堆要求压缩机供给流量计算部103基于目标堆流量与实际堆流量的偏差，计算用于使实际堆供给流量向目标堆供给流量变化的压缩机供给流量的目标值，来作为堆要求压缩机供给流量。具体地说，根据同目标堆流量与实际堆流量的偏差成比例的成分以及对目标堆流量与实际堆流量的偏差进行时间积分所得的成分实施PI (proport1nal integral:比例积分)控制，来计算堆要求压缩机供给流量。这样，堆要求压缩机供给流量是为了满足发电要求、湿润要求等燃料电池堆I的要求而需要的压缩机供给流量。也就是说，堆要求压缩机供给流量是基于燃料电池堆I的要求而计算出的压缩机供给流量的目标值。
[0063]此外，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，在作为操作量的堆要求压缩机供给流量在下限值饱和时，为了防止过量的积分运算所导致的振动(所谓的饱和(wind up)现象)，实施以下的PI控制:仅实施堆要求压缩机供给流量大于下限值的积分运算，停止堆要求压缩机供给流量小于下限值的积分运算。
[0064]对目标压缩机供给流量设定部104输入堆要求压缩机供给流量以及根据燃料电池堆I的负荷而决定的稀释要求压缩机供给流量。目标压缩机供给流量设定部104将稀释要求压缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量。此外，稀释要 求压缩机供给流量不是满足燃料电池堆I的要求所需的压缩机供给流量的目标值，而是满足使排出气体中的氢浓度为规定浓度以下这样的燃料电池系统100的要求所需的压缩机供给流量的目标值。也就是说，稀释要求压缩机供给流量是基于燃料电池系统100的要求而计算出的压缩机供给流量的目标值。
[0065]这样，在目标压缩机供给流量设定部104中，稀释要求压缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量中的大的一方被设定为目标压缩机供给流量。因而，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，从堆要求压缩机供给流量计算部103来看，与作为操作量的堆要求压缩机供给流量在下限值(在此为稀释要求压缩机供给流量)饱和的状态是等效的。
[0066]因此，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，停止堆要求压缩机供给流量小于稀释要求压缩机供给流量的积分运算。
[0067]也就是说，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，仅在实际堆供给流量小于目标堆供给流量时(需要增大堆要求压缩机流量时)实施目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。然后，在实际堆供给流量大于目标堆供给流量时(需要减小堆要求压缩机流量时)，停止目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。
[0068]对正极压缩机控制部105输入目标压缩机供给流量以及由第一流量传感器41检测出的压缩机供给流量(以下称为“实际压缩机供给流量”。)。正极压缩机控制部105基于目标压缩机供给流量与实际压缩机供给流量的偏差来输出针对正极压缩机22的控制信号，使得实际压缩机供给流量为目标压缩机供给流量。具体地说，根据同目标压缩机供给流量与实际压缩机供给流量的偏差成比例的成分以及对目标压缩机供给流量与实际压缩机供给流量的偏差进行时间积分所得的成分实施PI控制，来输出针对正极压缩机22的控制信号。
[0069]对旁路阀控制部106输入实际堆供给流量和目标堆供给流量。旁路阀控制部106基于目标堆流量与实际堆流量的偏差来输出旁路阀26的驱动信号。具体地说，根据同目标堆流量与实际堆流量的偏差成比例的成分以及对目标堆流量与实际堆流量的偏差进行时间积分所得的成分实施PI控制，来计算旁路阀操作量，在该旁路阀操作量超过规定量时输出旁路阀26的驱动信号。
[0070]在此，如前所述，在本实施方式中，只能使旁路阀26的开度阶段性地每次增大单位开度。因此，在比较例的正极系统的控制中，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，存在以下的情况:无法使旁路流量与目标旁路流量一致，从而无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。参照图7来说明这种情况下产生的上述的问题。
[0071]图7是说明无法使旁路流量与目标旁路流量一致的情况下产生的问题的图，是表示比较例的正极系统的控制的动作的时序图。
[0072]当在时刻tl例如加速踏板操作量减少而要求发电电力降低、从而达到发电要求堆供给流量降低时，目标堆供给流量(发电要求堆供给流量)朝向达到发电要求堆供给流量逐渐降低(图7的(A))。其结果，实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量，因此由堆要求压缩机供给流量计算部103计算出的堆要求压缩机供给流量也逐渐降低(图7的(B))。此外，在此，是以发电要求堆供给流量大于湿润要求堆供给流量为前提来进行说明的。
[0073]在时刻tl到时刻t2的期间，堆要求压缩机供给流量大于稀释要求压缩机供给流量，因此堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量(图7的(B))。其结果，会对响应性好的正极压缩机进行控制使得实际压缩机供给流量为堆要求压缩机供给流量，因此，实际堆供给流量会大致跟踪目标堆供给流量地降低(图7的(A))。
[0074]当在时刻t2堆要求压缩机供给流量低于稀释要求压缩机供给流量时，稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，控制正极压缩机使得实际压缩机供给流量为稀释要求压缩机供给流量(图7的(B))。其结果，实际堆供给流量不再跟踪目标堆供给流量地降低而成为固定(图7的(A))。然后，在时刻t2以后目标堆供给流量仍降低，因此实际堆供给流量慢慢变得大于目标堆供给流量，目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差慢慢逐渐扩大(图7的(B))。
[0075]当像这样目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差逐渐扩大时，由旁路阀控制部106的PI控制计算出的旁路阀操作量慢慢逐渐变大。此外，当在以下的说明中需要特别区分时，将实际堆供给流量大于目标堆供给流量时计算出的旁路阀操作量称为“打开侧旁路阀操作量”，将实际堆供给流量小于目标堆供给流量时计算出的旁路阀操作量称为“闭合侧旁路阀操作量”。
[0076]当在时刻t3打开侧旁路阀操作量超过了规定量时，输出旁路阀26的驱动信号，使旁路阀26打开单位开度(图7的(C))。其结果，原本供给到燃料电池堆I的剩余的正极气体流向旁路通路25，实际堆供给流量减少到目标堆供给流量(图7的(A))，旁路流量增加到目标旁路流量(图7的(D))。
[0077]然而，在时刻t3以后目标堆供给流量仍降低，因此实际堆供给流量再次慢慢变得大于目标堆供给流量(图7的(A))，在时刻t4使旁路阀26再打开单位开度(图7的(C))。其结果，实际堆供给流量再次减少到目标堆供给流量(图7的(A))，旁路流量增加到目标旁路流量(图7的(D))。
[0078]当在时刻t5发电要求堆供给流量降低到达到发电要求堆供给流量而目标堆供给流量固定时，之后目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定(图7的(A))。在时刻t5的时间点，稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，且成为实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，停止偏差的时间积分的运算。因此，在时刻t5随着目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定，堆要求压缩机供给流量固定(图7的(B))。
[0079]另一方面，在旁路阀控制部106的PI控制中，实施偏差的时间积分的运算，因此通过旁路阀控制部106的PI控制而计算出的打开侧旁路阀操作量在时刻t5以后也逐渐变大。
[0080]当在时刻t6打开侧旁路阀操作量超过规定量时，输出旁路阀26的驱动信号来使旁路阀26再打开单位开度(图7的(C))，但是这次无法将实际堆供给流量控制为目标堆供给流量(无法将旁路流量控制为目标旁路流量)，实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量(图7的(A))。其结果，通过旁路阀控制部106的PI控制，这次闭合侧旁路阀操作量会慢慢逐渐变大。
[0081]另外，当在时刻t6使旁路阀26打开单位开度、而变为实际堆供给流量小于目标堆供给流量的状态时，在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中重新开始偏差的时间积分的运算。因此，堆要求压缩机供给流量增加(图7的(B))。
[0082]当在时刻t7闭合侧旁路阀操作量超过了规定量时，输出旁路阀26的驱动信号，这次使旁路阀26闭合单位开度(图7的(C))，实际堆供给流量再次变得大于目标堆供给流量(图7的(A))。
[0083]另外，当在时刻t7旁路阀26闭合单位开度时，变为实际堆供给再次大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103中，停止偏差的时间积分的运算，堆要求压缩机供给流量固定(图7的(B))。然后，当在时刻t8使旁路阀26打开单位开度来变为实际堆供给小于目标堆供给流量的状态时，再次实施偏差的时间积分的运算，堆要求压缩机供给流量增加(图7的(B))。
[0084]像这样，在时刻t6以后反复进行旁路阀26的开闭，堆要求压缩机供给流量会慢慢逐渐增加。
[0085]然后，当在时刻t9使旁路阀26打开单位开度时，实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量(图7的(A))，因此堆供给压缩机供给流量增加(图7的(B))。其结果，堆要求压缩机供给流量变得大于稀释要求压缩 机供给流量(图7的(B))，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，实际压缩机供给流量增大(图7的(B))。
[0086]当在时刻tlO使旁路阀26闭合单位开度时，实际堆供给流量增加与其相应的量。其结果，实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量(图7的(A))，这次堆要求压缩机供给流量降低(图7的(B))。
[0087]然后，当在时刻til堆要求压缩机供给流量降低到稀释要求堆要求压缩机流量时(图7的(B))，控制正极压缩机使得实际压缩机供给流量为稀释要求堆要求压缩机，实际压缩机供给流量固定(图7的(B))。在时刻til到时刻tl2的期间，实际堆供给流量大于目标堆供给流量(图7的(A))，因此停止堆要求压缩机供给流量计算部103中的偏差的时间积分的运算。因而，堆要求压缩机供给流量也固定为稀释要求压缩机供给流量(图7的⑶
[0088]然后，当在时刻tl2使旁路阀26打开单位开度时(图7的(C))，堆要求压缩机供给流量再次变得大于稀释要求压缩机供给流量(图7的(B))，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，实际压缩机供给流量增大(图7的(A))。
[0089]由于像这样反复进行旁路阀26的开闭，最终会如时刻t9以后那样实际压缩机供给流量上下变动，产生正极压缩机22的旋转变动而从正极压缩机22产生异声。
[0090]在此，作为防止反复进行旁路阀26的开闭的方法，例如想到了以下方法:在处于实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差为规定量以下的状态、即一打开旁路阀26、实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态时，禁止旁路阀26的驱动来固定旁路阀26。
[0091]然而，在这种方法中，虽然能够防止反复进行旁路阀26的开闭，但是存在无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致的问题。下面，参照图8来说明这个问题。
[0092]图8是表示在比较例的正极系统的控制中、在成为一打开旁路阀26、实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态的情况下使旁路阀26的驱动禁止时的动作的时序图。
[0093]如图8所示，在时刻t4以后，处于实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差为规定量以下的状态、即一打开旁路阀26、实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态。因而，当在时刻t4以后禁止旁路阀26的驱动时，在时刻t5以后，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标堆供给流量的状态、且实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下，目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定。
[0094]这样一来，在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，会停止目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差的时间积分的运算，因此在时刻t5以后堆要求压缩机供给流量会成为固定(图8的(B))。因此，会继续将稀释要求压缩机供给流量设定为目标堆供给流量，因此变得无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0095]当像这样无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致时，各燃料电池的电解质膜变为过干燥状态或过湿润状态，发电效率降低。
[0096]因此，在本实施方式中，更细致地设定了禁止旁路阀26的驱动(固定旁路阀26)的时机，使得能够在防止这种反复进行旁路阀26的开闭的同时使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。下面，说明本实施方式的正极系统的控制。
[0097]图3示出了本实施方式的正极系统的控制模块。此外，在本实施方式的正极系统的控制模块中，对于实现了与比较例的正极系统的控制模块相同的功能的部分，使用同一标记并适当省略重复的说明。
[0098]本实施方式的正极系统的控制模块还具备旁路阀固定信号输出部107。
[0099]对旁路阀固定信号输出部107输入实际堆供给流量、目标堆供给流量、稀释要求压缩机供给流量以及堆要求压缩机供给流量。旁路阀固定信号输出部107基于这些输入信号，输出用于禁止旁路阀26的驱动来将旁路阀26固定于当前位置的旁路阀固定信号。旁路阀固定信号被输入到旁路阀控制部106。
[0100]图4是说明控制器4在旁路阀固定信号输出部107中实施的控制内容的流程图。[0101 ] 在步骤SI中，控制器4判定堆要求压缩机供给流量是否被设定为目标压缩机供给流量。如果堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，则控制器4进行步骤S3的处理。另一方面，如果稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，则进行步骤S2的处理。
[0102]在步骤S2中，控制器4判定实际堆供给流量是否处于旁路阀固定范围内。旁路阀固定范围处于以目标堆供给流量为上限、以目标堆供给流量减去规定值所得的流量(以下称为“固定范围下限流量”。)为下限的范围内。如果实际堆供给流量处于旁路阀固定范围内，则控制器4进行步骤S3的处理。另一方面，如果实际堆供给流量未处于旁路阀固定范围内，则进行步骤S4的处理。
[0103]在步骤S3中，控制器4将旁路阀固定信号设为ON(开启)。
[0104]在步骤S4中，控制器4将旁路阀固定信号设为OFF(关闭)。
[0105]图5是说明本实施方式的正极系统的控制的动作的时序图。
[0106]在时刻t2之前，堆要求压缩机供给流量这一方比稀释要求压缩机供给流量大(图5的(B))，因此堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量。因此，旁路阀固定信号为ON(SI中“是”，S3 ;图5的(E))。
[0107]然后，当在时刻t2堆要求压缩机供给流量低于稀释要求压缩机供给流量、并且稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，判定实际堆供给流量是否处于旁路阀固定范围内(SI中“否”，S2)。在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，会将堆要求压缩机供给流量以上的正极气体供给到燃料电池堆，因此实际堆供给流量逐渐变得大于目标堆供给流量(图5的(A))。因此，实际堆供给流量为旁路阀固定范围夕卜，旁路阀固定信号为0FF(S2中“否”，S4 ;图5的(A) (E))，与比较例时同样地，在时刻t3、时刻t4、时刻t6，旁路阀26阶段性地每次打开单位开度(图5的(C))。
[0108]当在时刻t6旁路阀26打开、由此实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量、实际堆供给流量进入旁路阀固定范围内时，旁路阀固定信号为ON(S2中“是”，S3 ;图5的(A)(E)) ο由此，旁路阀26的开度被固定于当前位置。
[0109]另外，在时刻t2到时刻6的期间，成为稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，停止偏差的时间积分的运算。因此，在时刻t5随着目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差变为固定，堆要求压缩机供给流量固定(图5的(B))。然后，在时刻t6实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量，由此在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中重新开始偏差的时间积分的运算，堆要求压缩机供给流量慢慢逐渐增加(图5的(B)) ο
[0110]然后，当在时刻t21堆要求压缩机供给流量高于稀释要求压缩机供给流量时(图5的(B))，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量。
[0111]在时刻t21以后，实际堆供给流量也小于目标堆供给流量(图5的(A))，因此堆要求压缩机供给流量逐渐增大，目标压缩机供给流量也随之逐渐增大。由此，随着目标压缩机供给流量的增大，实际堆供给流量也逐渐增大(图5的(B))。
[0112]其结果，能够在时刻t22使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0113]使用以下的场景来说明以上说明的本实施方式的燃料电池系统100的效果:从堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、进行控制使得实际压缩机供给流量为堆要求压缩机供给流量的状态起，燃料电池堆I的负荷变小，稀释要求压缩机供给流量(系统要求压缩机供给流量)被设定为目标压缩机供给流量。
[0114]在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量的 情况下，正极压缩机22开始向燃料电池堆I流通发电所需的流量(目标堆供给流量)以上的正极气体。于是，为了使对燃料电池堆I来说不需要的流量的量的正极气体分到旁路来将实际堆供给流量控制为目标堆供给流量，基于实际堆供给流量和目标堆供给流量来开始旁路阀26的开阀。
[0115]在此，旁路阀26的开阀是从实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态开始的，在本实施方式中，在实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀26。因此，能够抑制继续对燃料电池堆I供给发电所需的流量(目标堆供给流量)以上的正极气体，从而抑制使电解质膜干燥。
[0116]另外，另一方面，如上所述，在固定旁路阀26的状态下，存在以下担忧:成为实际堆供给流量相对于目标堆供给流量不足的状态，无法向燃料电池堆供给发电所需的流量的量的正极气体，输出电压降低。与此相对，在本实施方式中，能够通过如下那样控制正极压缩机22来补充不足量的正极气体，因此能够抑制输出电压的降低。
[0117]S卩，在本实施方式中，基于燃料电池堆I的负荷来计算目标堆供给流量，基于实际堆供给流量和目标堆供给流量来计算用于使实际堆供给流量为目标堆供给流量的堆要求压缩机供给流量。然后，将堆要求压缩机供给流量和稀释要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制上述压缩机。
[0118]因此，当堆要求压缩机供给流量变得大于稀释要求压缩机供给流量时，堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，对正极压缩机22进行控制使得实际压缩机供给流量变为堆要求压缩机供给流量。这样一来，正极压缩机22会补充因固定旁路阀26所引起的给燃料电池堆I的正极气体的流量不足，因此能够向燃料电池堆I供给发电所需的流量的量的正极气体。因此，能够抑制输出电压降低。
[0119]另外，在本实施方式中，为了防止饱和现象，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，仅在实际堆供给流量小于目标堆供给流量时(需要增大堆要求压缩机流量时)实施目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。然后，在实际堆供给流量大于目标堆供给流量时(需要减小堆要求压缩机流量时)，停止目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。
[0120]因此，若在实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下禁止旁路阀26的驱动，则随着禁止旁路阀26的驱动，实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差变为固定，此时，偏差的时间积分被停止而变得无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0121]与此相对，在本实施方式中在实际堆供给流量低于目标堆供给流量后禁止旁路阀26的驱动，由此即使在实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差固定的情况下，也能够实施偏差的时间积分。因此，能够使堆要求压缩机供给流量增大，从而使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。因而，能够抑制各燃料电池的电解质膜变为过干燥状态、过湿润状态的情况，因此能够抑制发电效率的降低。
[0122]以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
[0123]在上述实施方式中，对目标堆供给流量计算部102输入了发电要求堆供给流量和湿润要求堆供给流量，但是除此以外，也可以输入根据燃料电池堆I的负荷而决定的液泛防止用的堆供给流量，将它们的最大值设为目标堆供给流量。这样，作为燃料电池堆I的要求，也可以除了上述的发电要求、湿润要求以外还追加液泛防止要求。
[0124]另外，在上述实施方式中，对目标压缩机供给流量设定部104输入了稀释要求压缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量，但是除此以外，也可以输入正极压缩机22的浪涌防止用的压缩机供给流量，将它们的最大值设为目标压缩机供给流量。该浪涌防止用的压缩机供给流量不是满足燃料电池堆I的要求所需的压缩机供给流量的目标值，而是满足防止正极压缩机22的浪涌这样的燃料电池系统100的要求所需的压缩机供给流量的目标值。这样，作为燃料电池系统100的要求，也可以除了上述的稀释要求以外还追加浪涌防止要求。
[0125]另外，在上述实施方式中，在正极压缩机控制部105中，实施了基于目标压缩机供给流量和实际压缩机供给流量的反馈控制，但是也可以实施基于目标压缩机供给流量的前馈控制。
[0126]另外，在上述实施方式中，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀26，但是也可以不是完全固定，而在此时限制旁路阀26的驱动。
[0127]本申请基于2012年12月28日向日本专利局申请的特愿2012-287934号要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。
【主权项】
1.一种燃料电池系统，具备: 正极气体供给通路，其用于向燃料电池堆供给正极气体； 压缩机，其设置于上述正极气体供给通路； 旁路通路，其用于使从上述压缩机喷出的正极气体的一部分绕过上述燃料电池堆而排出；以及 旁路阀，其设置于上述旁路通路，用于调节流过上述旁路通路的正极气体的流量， 该燃料电池系统还具备: 堆供给流量检测单元，其用于检测向上述燃料电池堆供给的堆供给流量； 压缩机控制单元，其将基于上述燃料电池堆的要求而计算出的堆要求压缩机供给流量和基于上述燃料电池系统的要求而计算出的系统要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制上述压缩机； 旁路阀控制单元，其基于上述堆供给流量和应该向上述燃料电池堆供给的目标堆供给流量来控制上述旁路阀；以及 限制单元，其在上述系统要求压缩机供给流量被设定为上述目标压缩机供给流量、且上述堆供给流量变得小于上述目标堆供给流量时，固定上述旁路阀或者限制上述旁路阀的驱动。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述压缩机控制单元基于上述燃料电池堆的负荷来计算上述目标堆供给流量，基于上述堆供给流量和上述目标堆供给流量来计算用于使上述堆供给流量为上述目标堆供给流量的上述堆要求压缩机供给流量。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述系统要求压缩机供给流量被设定为上述目标压缩机供给流量的情况下，上述压缩机控制单元仅在上述堆供给流量小于上述目标堆供给流量时实施反馈控制，来计算上述堆要求压缩机供给流量，其中，在该反馈控制中运算上述堆供给流量与上述目标堆供给流量的偏差的时间积分。4.根据权利要求1?3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备: 正极气体排出通路，其供流过上述旁路通路而来的正极气体和从上述燃料电池堆排出的正极排气流通；以及 负极气体排出通路，其用于将从上述燃料电池堆排出的负极气体排出到上述正极气体排出通路， 其中，上述系统要求压缩机供给流量是使上述正极气体排出通路内的氢浓度为规定值以下所需的压缩机供给流量的目标值。
【专利摘要】燃料电池系统将基于燃料电池堆的要求而计算出的堆要求压缩机供给流量和基于燃料电池系统的要求而计算出的系统要求压缩机供给流量中的大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据该目标压缩机供给流量来控制压缩机。另外，燃料电池系统基于堆供给流量和应该向燃料电池堆供给的目标堆供给流量来控制旁路阀。而且，燃料电池系统在系统要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量、且堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀或者限制旁路阀的驱动。
【IPC分类】H01M8/04
【公开号】CN104885280
【申请号】CN201380068651
【发明人】浅井祥朋, 武田大
【申请人】日产自动车株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年11月13日
【公告号】CA2896665A1, EP2940768A1, US20150349359, WO2014103547A1
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